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Ti基TiO_2纳米结构的水热生长机理及光电化学性能研究

褚梦莎  
【摘要】:TiO_2纳米材料因为具有优异的物理化学性能而在光催化降解有机污染物、光解水、太阳能电池、气敏传感器等方面展现了良好的应用潜力。钛酸钠被认为是很有前景的制备TiO_2纳米材料的前驱体材料,其在转化成TiO_2时可以通过拓扑变换而保持原有形貌。由于纳米材料的应用性能与晶型、形貌等存在很大的联系,所以对钛酸钠前驱体的形貌可控制备及生长机理的探讨对于优化TiO_2的形貌及性能起到非常大的作用。本文采用水热法制备TiO_2纳米结构,以Ti基底作为钛源,在NaOH溶液中进行水热反应,得到TiO_2的前驱体钛酸钠,其经过酸化及煅烧处理之后得到TiO_2纳米结构。本文将探讨钠盐添加剂和有机溶剂对钛酸钠前驱体生长的影响及可能的生长机理,并且对钛酸钠前驱体煅烧之后得到的TiO_2纳米结构进行光电化学性能比较。本论文的主要实验内容及结论分为以下三个部分:(1)探讨有机溶剂对Ti基钛酸钠生长的影响。以金属Ti基底作为钛源,在NaOH溶液中采用水热法制备钛酸钠,通过纯水混合不同比例的有机溶剂来研究钛酸钠的生长机理。实验表明,在NaOH纯水溶液中水热反应得到了钛酸钠纳米管结构,长度达到微米级,具有较厚管壁(8-10 nm),管壁非对称。有机溶剂乙二醇会使钛酸钠纳米管团聚在一起形成三维网络状结构,而乙醇有利于纳米片的形成。这主要是由于有机溶剂蒸汽压及极性的不同,溶液蒸汽压大、极性小有利于钛酸钠纳米片的生成。(2)探讨钠盐添加剂对Ti基钛酸钠生长的影响。同样以金属Ti基底作为钛源,在NaOH水溶液中采用水热法制备钛酸钠,通过添加不同种类的钠盐来研究钛酸钠的生长机理。实验表明NaCl的加入有利于钛酸钠纳米片的生成,而NaF及NaBr的加入对纳米片的生成作用较小,体系中仍然生成纳米管结构,这与不同阴离子的作用有关。实验还发现钠盐加入到水-有机溶剂混合体系中时会降低体系蒸汽压,有利于钛酸钠纳米管的生成。(3)对Ti基钛酸钠前驱体煅烧后形成的TiO_2纳米结构进行光电化学性能测试。实验发现几种TiO_2纳米管的光电化学性能较接近,较小的差异来自于纳米管管径的不同;加入NaCl后所形成的TiO_2纳米片具有比纳米管更好的光电化学性能,这可能与不同暴露晶面有关;加入乙醇后所形成的TiO_2纳米片比纳米管性能好的原因是纳米片负载量比较多,真实表面积比较大;加入乙二醇后纳米管性能最差,可能的原因为三维网络状结构坍塌,导致样品接收光照面积减少。本论文的研究工作可以为形貌可控制备钛酸钠或TiO_2纳米材料提供方法手段参考,为进一步探讨钛酸钠或TiO_2纳米材料的性能及应用提供研究基础。


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